重力式碼頭厚拋石基床應(yīng)力數(shù)值分析

■丁澤祥 鄢 真 張煒煌 別社安

（1.江西交通職業(yè)技術(shù)學院，南昌 330013；2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004；3.天津大學，天津 300072）

重力式碼頭是港口建設(shè)中較為普遍的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)堅固耐久、抗凍抗冰性能好、能承受較大荷載等優(yōu)點，能夠廣泛適應(yīng)碼頭地面荷載和裝卸工藝變化，同時其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計施工經(jīng)驗成熟，維護費用也較低。 在地質(zhì)等自然條件復雜的岸段建設(shè)深水碼頭泊位，采用厚拋石基床結(jié)構(gòu)的重力式碼頭工程實例逐漸增多。

重力式碼頭厚拋石基床的應(yīng)力分布與傳統(tǒng)厚度拋石基床有所差異。 傳統(tǒng)厚度拋石基床假定基床為剛體，基床內(nèi)部附加應(yīng)力擴散按照JTS 167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定[1]：碼頭沉箱前趾下的拋石基床寬度不低于1.5 倍的基床厚度，如此計算得到拋石基床前坡腳下的地基應(yīng)力最大。 但是相關(guān)研究表明[2]，附加應(yīng)力在基床中幾乎是垂直向下的擴散，應(yīng)力集中于結(jié)構(gòu)以下區(qū)域，在拋石基床厚度較小時誤差不明顯，但對于厚拋石基床，根據(jù)規(guī)范設(shè)計的基床底面寬度就大大超過實際的應(yīng)力分布寬度。 而且可以推測，當基床厚度較大的時候，基床本身的可壓縮性也增大較多，基床頂面的變形會因本身材料和外界因素大大增加。 現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范并沒有針對重力式碼頭厚拋石基床的詳細內(nèi)容，重力式碼頭厚拋石基床相關(guān)的工程還是采用傳統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，勢必造成拋石基床斷面設(shè)計過大、 過深導致投資浪費，因此本文將對厚拋石基床的應(yīng)力分布展開研究。

1 工程實例

計算實例來自福州港平潭港區(qū)金井作業(yè)區(qū)1#～5#泊位工程，碼頭岸線總長1647 m，其中1#、2#泊位建設(shè)20000 GT 客貨滾裝泊位2 個，岸線長度602 m；3#泊位建設(shè)150000 GT 國際郵輪泊位1 個，岸線長度384 m；4#、5# 泊位建設(shè)5 萬t 級多用途泊位2個（結(jié)構(gòu)兼顧10 萬t 級集裝箱船），岸線長度661 m。碼頭典型斷面如圖1 所示。 碼頭區(qū)覆蓋土層厚，巖面埋藏深、起伏大，同時受外海風浪影響較大，后方陸域空間與用地需求矛盾大，建港條件困難。 項目設(shè)計單位通過深入分析工程地質(zhì)條件、業(yè)主使用需求、投資總額和維護成本等因素，提出采用重力式碼頭厚拋石基床方案，是一種主動選擇。 該碼頭基槽開挖底標高－35.0～－51.5m，平均拋石厚度最大可達31.5 m，是目前國內(nèi)平均基槽挖深和平均基槽拋石厚度最大的重力式碼頭，是典型的重力式碼頭厚拋石基床項目。

圖1 碼頭典型斷面圖

2 數(shù)值分析

選取碼頭典型斷面采用有限元軟件ABAQUS建立重力式碼頭厚拋石基床有限元模型，對模型進行彈塑性分析。 沉箱和胸墻的混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，沉箱回填砂、塊石由于沒有和土體直接接觸，也采用線彈性模型進行簡化，拋石基床、回填砂、地基土都采用彈塑性模型。 荷載包括結(jié)構(gòu)和土體自重、門機荷載、系纜力、基槽前方回填砂壓載、碼頭區(qū)均布荷載。 邊界條件：左右限值水平向位移，底部限值水平、豎向位移和轉(zhuǎn)角。 對于本模型，采用極端低水位的工作狀態(tài)，前趾點坐標取為（0，－15.4），為減小邊界條件影響， 前趾點左側(cè)取180 m 寬，右側(cè)取200 m 寬，下方取至－60 m。模型采用國際標準單位。 模型斷面圖如圖2 所示。

圖2 模型斷面圖

2.1 分析結(jié)果

碼頭斷面的豎向附加應(yīng)力分布如圖3 示。 將規(guī)范計算的墻后土壓力和數(shù)值模擬中的接觸壓力進行對比，如圖4 所示。 從圖4 中可以看出，采用庫倫土壓力計算的土壓力與數(shù)值模擬相比有一定差異，理論計算的時候外摩擦角取內(nèi)摩擦角的1/3，過于光滑，而實際上沉箱后回填土會經(jīng)過壓實與沉箱外壁接觸較緊，如果采用理論的摩擦系數(shù)，數(shù)值模擬計算時，墻后回填土出現(xiàn)雙向塑性變形，同時碼頭面變形顯著，發(fā)生破壞。 將abaqus 里沉箱和回填砂接觸中的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.6 得出的計算結(jié)果比理論計算值偏小，但總體相差不大，且偏于安全。 基床底面應(yīng)力分布對比如表1 所示， 從結(jié)果可以看出，應(yīng)力擴散的角度較小，在－1.3 m 附近才出現(xiàn)了理論值與模擬值相等的情況，對于厚拋石基床擴散線的角度不再是1∶1.5。

圖3 豎向附加應(yīng)力分布圖

圖4 墻背土壓力對比曲線

表1 基床底面應(yīng)力分布對比

2.2 應(yīng)力分布規(guī)律

將基槽底部的土層統(tǒng)一， 去除該工程的特殊性。 基底土層彈性模量E=150 MPa，內(nèi)摩擦角=32°，粘聚力c=20 kPa，泊松比=0.2，給出簡化后的模型豎向應(yīng)力分布圖和模型等效塑性應(yīng)變圖（圖5～6）。沿深度方向每隔5 m 取一條路徑，繪成沿水平方向豎向應(yīng)力分布曲線，觀察其水平應(yīng)力分布（圖7）。 取沿前趾豎直向下（0），沉箱后趾豎直向下（19.8），沉箱底部向下最大應(yīng)力值，繪成沿深度方向的豎向應(yīng)力變化曲線（圖8）。

圖5 簡化模型豎向應(yīng)力分布圖

圖6 簡化模型等效塑性應(yīng)變圖

圖7 各深度豎向應(yīng)力分布曲線

圖8 沿深度方向豎向應(yīng)力變化曲線

根據(jù)以上的計算云圖和應(yīng)力分布曲線總結(jié)出以下規(guī)律：（1）結(jié)構(gòu)造成的附加應(yīng)力沿深度以近乎垂直的小角度傳遞。 （2）基床表面（－15.4 m）由于直接和沉箱底板接觸，應(yīng)力分布不穩(wěn)定、浮動大。 由于受到土壓力、系纜力等水平力和其他豎向力的偏心影響，前趾應(yīng)力大、后趾應(yīng)力小，且前趾下方土體發(fā)生明顯的塑性變形。 （3）較為淺層的位置，受前趾影響較大，也出現(xiàn)了前趾應(yīng)力較大的趨勢，隨后趨于平均。 隨深度增加沿水平向豎向應(yīng)力分布較為均勻，且逐漸增大。 （4）沿深度方向，前趾豎向應(yīng)力迅速減小， 然后逐漸增大， 表明應(yīng)力擴散較為迅速，10 m 左右附加應(yīng)力即減小到1 個較小的水平，拋石基床自重增大較多，豎向應(yīng)力由附加應(yīng)力控制轉(zhuǎn)為由拋石基床的自重控制；后趾豎向應(yīng)力以始終由自重控制，呈較為平穩(wěn)的增長趨勢。 （5）最大應(yīng)力，在拋石基床表面為前趾大、后趾小，在底層為前趾小、后趾大，與規(guī)范所述的應(yīng)力擴散不同。

3 結(jié)論

本文通過ABAQUS 模擬工程實例，將理論和有限元模擬對比，可知對于厚拋石基床，理論計算和實際情況有所差異。 （1）拋石基床的剛體假定存在差異。 對于基床表層塑性變形較大，與剛體差異大，而基床中下部分由于受上部結(jié)構(gòu)荷載影響較小，可以看做是剛體。 重力式碼頭規(guī)范中對于拋石基床頂面應(yīng)力的限定值應(yīng)該考慮到基床塑性變形和應(yīng)力重分布的情況，進行適當?shù)母淖儭?（2）拋石基床的應(yīng)力擴散存在差異。 主要是前趾向下的應(yīng)力擴散與規(guī)范所述有較大差異， 規(guī)范假定其以1∶1.5 的斜線擴散，但是事實上上部結(jié)構(gòu)造成的附加應(yīng)力以一個近乎垂直的小角度擴散， 這與規(guī)范的假定有較大差距，按照規(guī)范條文規(guī)定設(shè)計的基床底面過寬，承載力有較大富余，因此在相關(guān)工程設(shè)計、施工時，可參考本文研究成果，對大開挖重力式碼頭結(jié)構(gòu)斷面做適當優(yōu)化，減少開挖量，節(jié)約工程投資。 另外，應(yīng)力分布在基床中下部分，基床自重占據(jù)了豎向應(yīng)力的大部分，附加應(yīng)力影響很小，說明在厚拋石基床中，上部結(jié)構(gòu)的受力情況實際上對于基床中下部影響不大。（3）基底應(yīng)力分布折線與實際有所差別。使用重力式規(guī)范計算得到基床底部前方應(yīng)力大后方應(yīng)力小的結(jié)果，事實上由于墻后回填料的原因，基床底部后方的應(yīng)力較大，這對于計算地基承載力有一定誤差。 基于以上研究結(jié)果，課題組將繼續(xù)對厚拋石基床內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律開展研究，以期為后續(xù)規(guī)范修訂提供理論支撐。